Геомеханическое моделирование околоскважинной зоны с щелевой перфорацией с учетом элементов крепи скважины

UDK: 622.245.14

DOI: 10.24887/0028-2448-2025-10-38-43

Ключевые слова: щелевая перфорация, околоскважинная зона, метод конечных элементов, коэффициент запаса прочности (устойчивости), эксплуатационная колонна, тампонажный камень

Авт.: С.Е. Чернышов, д.т.н. (Пермский национальный исследовательский политехнический университет); С.Н. Попов, д.т.н. (Институт проблем нефти и газа РАН); В.В. Дерендяев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет); М.С. Кармаенков (Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» в г. Перми); К. Ван, PhD (Китайский нефтяной университет); Х. Лю, D.Eng (Китайский нефтяной университет)

В ходе исследования была разработана численная конечно-элементная модель прискважинной зоны с перфорацией в виде щелей. В эту модель были включены эксплуатационная колонна, цементный камень и участок породы-коллектора вблизи скважины. Для предотвращения возникновения концентраторов напряжений на контактных поверхностях из-за резкого изменения механических характеристик материалов были использованы контактные элементы на границах раздела цементный камень – порода и цементный камень – обсадная колонна. Это позволило учесть различия в упруго-прочностных свойствах материалов. Проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния призабойной зоны добывающей скважины, эксплуатирующей терригенный коллектор одного из месторождений на юге Пермского края. В ходе исследования выполнена серия расчетов с вариацией депрессивного воздействия на продуктивный пласт. Показано, что при создании щелевых каналов в эксплуатационной колонне могут образовываться небольшие участки ее разрушения в верхней и нижней частях щелей. Анализ напряженного состояния тампонажного камня на основе критерия Кулона-Мора подтвердил его устойчивость даже при максимальной депрессии 9 МПа, коэффициент запаса прочности составил 1,8. Анализ устойчивости породы с помощью критерия Кулона-Мора показал, что коллектор не должен быть разрушен, а коэффициент запаса прочности составил 1,1 при депрессии 9 МПа. Результаты моделирования щелевой перфорации доказывают ее эффективность, обусловленную возникновением областей разгрузки породы на боковых поверхностях щелей. Однако при этом следует выбирать оптимальный режим работы скважины для обеспечения максимальной продуктивности.

Список литературы

1. Petroleum related rock mechanics / E. Fjær, R.M. Holt, P. Horsrud [et al.]. – Amsterdam: Elsevier, 2008. – 492 p.

2. Практическое руководство по геомеханическому моделированию / В.А. Павлов, В.С. Кулешов, Д.О. Королев [и др.]. – Тюмень: ИПЦ «Экспресс», 2023. – 440 с.

3. Расчет устойчивости ствола скважины для предотвращения осложнений при бурении / С.В. Лукин, С.В. Есипов, В.В. Жуков [и др.] // Нефтяное хозяйство. – 2016. – № 6. – С. 70–73. – EDN: WCLJTV

4. Развитие комплексного геомеханического моделирования в ПАО «Газпром нефть» / А.А. Вашкевич, В.В. Жуков, Ю.В. Овчаренко [и др.] // Нефтяное хозяйство. – 2016. – № 12. – С. 16–19. – EDN: XWOIYX

5. Попов С. Н., Чернышов С.Е. Разработка геомеханической модели и определение «окна плотности» бурового раствора в интервале фаменских продуктивных отложений (на примере участка одного из месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции) // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2023. – № 11(383). – С. 32–39. – https://doi.org/10.33285/2413-5011-2023-11(383)-32-39. – EDN: JNDXNR

6. Exploring hydrocarbon potential with 3D modeling techniques: Lower Cretaceous formations in Abu Sennan field, north Western Desert / T. Mostafa, M. Reda,

M. Mosaad [et al.] // Petroleum. – 2025. – V. 11. – No. 2. – P. 158-173. – https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.petlm.2025.03.004

7. Integrated analysis of the 3D geostress and 1D geomechanics of an exploration well in a new gas field / L. Wang, X. Shen, B. Wu [et al.] // Energies. – 2023. –

№ 16(2). – P. 806. – https://doi.org/10.3390/en16020806. – EDN: HSSWEZ

8. Попов С.Н. Разработка 3D геомеханической модели участка ачимовских отложений одного из месторождений Крайнего Севера // Актуальные проблемы нефти и газа. – 2019. – № 2(25). – С. 1–17. – https://doi.org/10.29222/ipng.2078-5712.2019-25.art3. – EDN: KYSFRF

9. Acid fracturing technology and effect evaluation of carbonate horizontal well in Fuman oilfield / W. Li, L. Chen, X. Wang [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2024. – V. 2679. – P. 012010. – https://doi.org/10.1088/1742-6596/2679/1/012010. – EDN: VJQLVU

10. Савельев В.В., Огнев И.Н. Влияние реологических параметров жидкости разрыва на геометрию трещины гидроразрыва пласта в терригенных резервуарах // Георесурсы. – 2023. – Т. 25. – № 4. – С. 138–148. – https://doi.org/10.18599/grs.2023.4.12. – EDN: FUVGPQ

11. Астафьев В.Н., Митрофанов Г.М. Интегрированное моделирование многозонного гидроразрыва низкопроницаемых коллекторов // Георесурсы. –

2024. – Т. 26. – № 3. – С. 116–125. – https://doi.org/10.18599/grs.2024.3.13. – EDN: WNBJDD

12. Присмотров К.В., Варавва А.И., Воронинская Я.Г. Особенности методики моделирования многостадийного гидроразрыва пласта на скважинах газоконденсатного месторождения Х // Георесурсы. – 2023. – Т. 25. – № 4. – С. 82–91. – https://doi.org/10.18599/grs.2023.4.5. – EDN: TGRPFZ

13. Tananykhin D.S. Scientific and methodological support of sand management during operation of horizontal well // Internation journal of engineering, Transaction A: Basics. – 2024. – № 37(7). – P. 1395–1407. – https://doi.org/10.5829/ije.2024.37.07a.17. – EDN: KEVKBV

14. Оценка предельного забойного давления, исключающего разрушение призабойной зоны пласта, на основе геомеханических исследований керна /

А.И. Ермолаев, С.И. Ефимов, П.В. Пятибратов [и др.] // SOCAR Proceedings. – 2023. – № 1. – С. 61–69. – https://doi.org/10.5510/OGP2023SI100832. – EDN: IYZOYV

15. Анализ устойчивости крепи нефтедобывающих скважин при проведении кумулятивной перфорации на основе результатов геомеханического моделирования / С.Е. Чернышов, С.Н. Попов, А.Д. Савич, В.В. Дерендяев // Георесурсы. – 2023. – Т. 25. – № 2. – С. 245–253. – https://doi.org/10.18599/grs.2023.2.18. – EDN: CDIXXJ

16. Научное обоснование методов вторичного вскрытия фаменских отложений юго-востока Пермского края на основании геомеханического моделирования / С.Е. Чернышов, С.Н. Попов, С.В. Варушкин [и др.] // Записки Горного института. – 2022. – Т. 257. – С. 732–743. – https://doi.org/10.31897/PMI.2022.51. – EDN: IQZWZA

17. Анализ изменения напряженно-деформированного состояния и проницаемости терригенного коллектора на основе численной модели околоскважинной зоны с элементами крепи и перфорационными каналами / С. Е. Чернышов, С. Н. Попов, К. Ван [и др.] // Георесурсы. – 2024. – Т. 26. – № 4. –

С. 209–217. – https://doi.org/10.18599/grs.2024.4.6. – EDN: WTDNDB

18. Application of ABAQUS Flow-Solid coupling model to evaluate sealing capability of sandstone formation interface based on the cracking behavior of cohesive force units / H. Zhang, H. Liu, R. Zheng [et al.] // Construction and Building Materials. – 2023. – № 409. – Р. 133863. – https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133863. – EDN: TDJPEZ

19. Ponikarov A. Modeling of heat exchangers in ANSYS CFX for the digital twins development // E3S Web of Conferences. – 2024. – V. 583. – P. 03021. – https://doi.org/10.1051/e3sconf/202458303021. – EDN: JUXGRQ

20. Попов С. Н., Чернышов С.Е., Кривощеков С.Н. Сопоставительный анализ аналитического и численного методов расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны на основе упругой модели с учетом основных конструктивных элементов скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 5. – С. 94–102. – https://doi.org/10.18799/24131830/2023/5/3961. – EDN: XKFUQY

21. Zhang J., Moridis G., Blasingame Th.A. Message passing interface (MPI) parallelization of iteratively coupled fluid flow and geomechanics codes for the simulation of system behavior in hydrate-bearing geological media. Part 1: methodology and validation // SPE-206161-PA. – 2022. – https://doi.org/10.2118/206161-PA. –

EDN: HDJEEN

22. Effects of the mechanical properties of a cement sheath and formation on the sealing integrity of the cement-formation interface in shallow water flow in deep

water / L. Tian, Y. Bu, H. Liu [et al.] // Construction and Building Materials. – 2023. – V. 369. – Р. 130496. – https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.130496. –

EDN: HHNFQG

23. Modeling and petrophysical properties of digital rock models with various pore structure types: An improved workflow / X. Li, W. Wei, Y. Xia [et al.] // Int J Coal Sci Technol. – 2023. – No. 10. – Р. 61. – https://doi.org/10.1007/s40789-023-00627-z. – EDN: DBPFNR

24. Физическое моделирование метода направленной разгрузки пласта / В.И. Карев, Ю.Ф. Коваленко, В.В. Химуля, Н.И. Шевцов // Газовая промышленность. – 2021. – № 7(819). – С. 66–73. – EDN: QJFUXF